Враження художника про космічну обсерваторію Гершель з її спостереженнями про формування зірок у туманності розетки на задньому плані.
(Зображення: © C. Carreau / ESA)
Адам Хадзазі, письменник і редактор фонду "Кавлі", доклав цю статтю до програми "Експертні голоси": "Op-Ed & Insights" для Space.com.
Від нечастої подорожі в кемпінгу до підробки міжнародного консенсусу щодо великих бюджетних обсерваторій, лауреат премії «Кавлі» 2018 року обговорює її особисту та професійну подорож у галузі астрохімії.
НЕ ВСІ ПРОСТОРИ ТАКІ ЗАПАСНЕ МІСЦЕ. Галактики - повні пилових хмар, що містять багаті тушковані молекули, починаючи від простого водню до складних органічних речовин, важливих для життєдіяльності. Розуміння того, як всі ці космічні інгредієнти змішуються у формуванні зірок і планет, було життєвою роботою Евін ван Дішоек.
Хімік, навчаючись, Ван Дішоєк незабаром звернув погляд на космос. Вона стала першопрохідцем у новій галузі астрохімії, використовуючи новітні телескопи, щоб розкрити та описати вміст величезних зоряних хмар. Паралельно Ван Дішок проводив лабораторні експерименти та квантові розрахунки на тера фірма зрозуміти розпад космічних молекул за допомогою зіркового світла, а також умови, за яких нові молекули складаються між собою, як цегли Лего. [8 Загадкових астрономічних таємниць]
"За її сумісний внесок у спостережну, теоретичну та лабораторну астрохімію, з'ясовуючи життєвий цикл міжзоряних хмар та утворення зірок та планет", Ван Дішоек отримав приз Астрофізики у 2018 році "Кавлі". Вона є лише другим лауреатом у будь-якій галузі, який був відзначений як єдиний отримувач премії за свою історію.
Щоб дізнатися більше про її прорив в астрохімії та що далі для галузі, Фонд Кавлі поспілкувався з Ван Дішоком зі свого офісу в Обсерваторії Лейден в Лейденському університеті, Нідерланди, безпосередньо перед відвідуванням барбекю для персоналу. Ван Дішок - професор молекулярної астрофізики та обраний президентом Міжнародного астрономічного союзу (IAU).
Далі - відредагована стенограма круглого столу. Ван Дішоєк отримав можливість виправити або відредагувати свої зауваження.
ФОНД КАВЛІ: Що говорить нам астрохімія про себе та всесвіт, у якому ми живемо?
EWINE VAN DISHOECK: Загальна історія, яку розповідає астрохімія, це те, яке наше походження? Звідки ми беремось, як нас будували? Як утворилася наша планета і сонце? Це в кінцевому підсумку призводить нас до спроби відкрити основні будівельні блоки для сонця, Землі та нас. Це як Легос - ми хочемо знати, які шматки були у наборі Лего для нашої Сонячної системи.
Найбільш основні будівельні блоки - це, звичайно, хімічні елементи, але те, як ці елементи поєднуються для створення більших будівельних блоків - молекул, - у просторі є вирішальним для розуміння того, як все було.
TKF: Ви та інші дослідники зараз виділили понад 200 цих молекулярних будівельних блоків у космосі. Яким чином сфера склалася протягом вашої кар’єри?
EVD: У 1970-х роках ми почали з'ясовувати, що дуже незвичні молекули, такі як іони та радикали, відносно багато в просторі. Ці молекули відсутні або мають неспарені електрони. На Землі вони довго не зберігаються, оскільки швидко реагують на будь-яку іншу справу, з якою вони зустрічаються. Але оскільки простір такий порожній, іони та радикали можуть жити десятки тисяч років, перш ніж наткнутися на що-небудь.
Тепер ми рухаємося до виявлення молекул, присутніх у самому серці регіонів, де формуються нові зірки та планети, саме в цей момент. Ми проникаємо повз плями виділення ізольованих іонів та радикалів до більш насичених молекул. До них відносяться органічні [містять вуглець] молекули в найпростіших формах, як метанол. З цього основного будівельного блоку метанолу ви можете створити такі молекули, як гліколалдегід, який є цукром, та етиленгліколь. Обидві ці "пребіотичні" молекули, тобто вони потрібні для можливого формування молекул життя.
Там, де рухається далі астрохімічне поле, йде далеко не від інвентаризації молекул і до спроб зрозуміти, як утворюються ці різні молекули. Ми також намагаємось зрозуміти, чому ми можемо знайти більшу кількість певних молекул у конкретних космічних областях порівняно з іншими видами молекул.
TKF: Те, що ви сказали щойно, змушує мене подумати про аналогію: Астрохімія зараз менше стосується пошуку нових молекул у космосі - подібних до зоологів, які шукають нових тварин у джунглях. Зараз це поле більше стосується "екології" взаємодії цих молекулярних тварин і чому в космосі існує стільки певного виду, але там так мало тощо.
EVD: Це хороша аналогія! Коли ми розбираємось у фізиці та хімії того, як утворюються зірки та планети, значна частина з'ясовує, чому деякі молекули рясні в певних міжзоряних регіонах, але "вимерли", як і тварини, в інших регіонах.
Якщо ми продовжимо вашу метафору, то справді багато цікавих взаємодій між молекулами, які можна порівняти з екологією тварин. Наприклад, температура є керуючим фактором у поведінці та взаємодії молекул у просторі, що також впливає на діяльність тварин і там, де вони живуть тощо.
TKF: Повертаючись до ідеї будівельних блоків, як саме працює процес нарощування в астрохімії?
EVD: Важлива концепція побудови молекул у космосі - це те, що ми знаємо з повсякденного життя тут, на Землі, і називається фазовими переходами. Ось тоді тверда речовина плавиться у рідину, або рідина випаровується в газ тощо.
Зараз у космосі кожна молекула має свою "снігову лінію", яка є поділом між газовою фазою і твердою фазою. Так, наприклад, вода має снігову лінію, де вона переходить від водного газу до водного льоду. Я мушу зазначити, що рідкі форми елементів і молекул не можуть існувати в просторі, оскільки тиск занадто малий; вода може бути рідкою на Землі через тиск атмосфери планети.
Повернувшись до снігових ліній, ми тепер виявляємо, що вони відіграють дуже важливу роль у формуванні планети, контролюючи багато хімії. Один з найважливіших будівельних блоків Lego, так би мовити, що ми знайшли, це оксид вуглецю. Ми знайомі з оксидом вуглецю на Землі, оскільки він, наприклад, утворюється при спалюванні. Ми з колегами продемонстрували в лабораторії в Лейдені, що чадний газ є відправною точкою для створення багатьох більш складних органічних речовин у космосі. Заморожування оксиду вуглецю з газу до твердої фази є вирішальним першим кроком до додавання лего будівельних блоків водню. Це дозволяє продовжувати будувати все більші та більші молекули, як формальдегід [CH2O], потім метанол, на гліколалдегід, як ми обговорювали, або ви навіть можете перейти до більш складних молекул, як гліцерин [C3Н8О3].
Це лише один приклад, але він дає зрозуміти, як відбувається процес нарощування астрохімії.
TKF: Ви щойно згадали про свою лабораторію в Лейденській обсерваторії Лабораторія Саклера з астрофізики, наскільки я розумію, вона відрізняється як перша в історії лабораторія астрофізики. Як це стало і чого ви там досягли?
EVD: Це вірно. Майо Грінберг, піонер-астрохімік, розпочав роботу в лабораторії в 1970-х і справді був першим у своєму роді для астрофізики у світі. Він вийшов на пенсію, і тоді я продовжував працювати в лабораторії. Я врешті-решт став директором цієї лабораторії на початку 1990-х років і залишився таким приблизно до 2004 року, коли колега взяв на себе керівництво. Я все ще співпрацюю та провожу експерименти там.
Те, що нам вдалося досягти в лабораторії, - це екстремальні умови космосу: його холодність та випромінювання. Ми можемо відтворити температури в космосі до 10 кельвінів [мінус 442 градуси Фаренгейта; мінус 260 градусів Цельсія], що є лише крихіткою вище абсолютного нуля. Ми також можемо відтворити інтенсивне ультрафіолетове випромінювання при зоряному світлі, яким піддаються молекули в регіонах утворення нових зірок. [Зірка Вікторина: Тестуйте своїх зоряних розумних]
Однак ми не вдається відтворити порожнечу простору, вакуум. Ми вважаємо, що надвисокий вакуум в лабораторії має близько 108 до 1010 [сто мільйонів до десяти мільярдів] частинок на кубічний сантиметр. Те, що астрономи називають щільною хмарою, де відбуваються формування зірок і планет, налічує лише близько 104, або приблизно 10 000 частинок на кубічний сантиметр. Це означає, що щільна хмара в космосі все ще в мільйон разів спорожніша, ніж найкраще, що ми можемо зробити в лабораторії!
Але це в кінцевому рахунку працює на нашу користь. У надзвичайному вакуумі космосу хімія, яку ми зацікавлені в розумінні, рухається дуже, дуже повільно. Це просто не буде робити в лабораторії, де ми не можемо чекати 10 000 або 100 000 років, коли молекули натраплять одна на одну і взаємодіють. Натомість нам потрібно зуміти здійснити реакцію за день, щоб дізнатися що-небудь про масштаби часу наукової кар’єри людини. Таким чином ми пришвидшуємо все і можемо перевести те, що ми бачимо в лабораторії, в набагато більш тривалі масштаби часу в просторі.
TKF: Окрім роботи в лабораторії, ви використовували масив телескопів для дослідження молекул у космосі. Які інструменти були важливими для вашого дослідження та чому?
EVD: Нові інструменти були вирішальними протягом усієї моєї кар'єри. Астрономія дійсно керується спостереженнями. Маючи все більш потужні телескопи у нових довжинах хвиль світла - це як дивитися на Всесвіт іншими очима.
Щоб навести вам приклад, наприкінці 1980-х я повернувся до Нідерландів, коли країна активно залучалася до інфрачервоної космічної обсерваторії, або ISO, місії, яку очолювало Європейське космічне агентство [ESA]. Мені дуже пощастило, що хтось інший зробив важку роботу протягом 20 років, щоб зробити цей телескоп реальністю, і я міг із задоволенням ним користуватися! ISO був дуже важливим, оскільки він відкрив інфрачервоний спектр, де ми могли бачити всі ці спектральні підписи, як хімічні відбитки пальців, льодів, включаючи воду, які відіграють важливу роль у формуванні зірок і планет, а також у воді, звичайно, є важливими для життя. Це був чудовий час.
Наступною дуже важливою місією була космічна обсерваторія Гершель, до якої я особисто був залучений аспірантом ще в 1982 р. З хімії було зрозуміло, що Гершель - це головна місія для міжзоряних молекул, зокрема, "слідування за водний слід ". Але спочатку нам потрібно було зробити так, щоб наукова справа була передана ESA. Я їздив до США протягом кількох років і брав участь у подібних дискусіях там, де я допоміг зробити наукову справу про Гершель до американських фінансових агентств. Це все було великим поштовхом, поки місія остаточно не була затверджена в кінці 1990-х. Тоді ще потрібно 10 років, щоб створити та запустити, але ми нарешті отримали свої перші дані наприкінці 2009 року. Отже, з 1982 по 2009 рік - це був довгостроковий період! [Фотографії: Дивовижні інфрачервоні зображення космічної обсерваторії Гершель]
TKF: Коли і звідки ви прижилися вашій любові до космосу та хімії?
EVD: Моя головна любов завжди була до молекул. Це почалося в середній школі з дуже хорошого вчителя хімії. Багато що залежить від дійсно хороших вчителів, і я не думаю, що люди завжди усвідомлюють, наскільки це важливо. Я зрозумів лише, коли вступив до коледжу, що фізика так само весела, як і хімія.
TKF: Який академічний шлях ви пройшли, щоб в кінцевому рахунку стати астрохіміком?
EVD: В університеті Лейдена я займався магістерською роботою з хімії і був переконаний, що хочу продовжувати теоретичну квантову хімію. Але професор у цій галузі в Лейдені помер. Тому я почав роздивлятися інші варіанти. Я справді мало знав про астрономію в той час. Це був мій тодішній хлопець і теперішній чоловік Тім, який щойно слухав лекції на міжзоряному носії, і Тім сказав мені: "Ви знаєте, в космосі також є молекули!" [Сміх]
Я почав вивчати можливість робити дисертацію про молекули в просторі. Я перейшов від одного професора до іншого. Колега з Амстердаму сказав мені, що для того, щоб дійсно потрапити в сферу астрохімії, мені довелося поїхати в Гарвард, щоб попрацювати з професором Олександром Далгарно. Як це сталося, влітку 1979 року ми з Тімом їхали до Канади, щоб відвідати Генеральну Асамблею Міжнародного астрономічного союзу в Монреалі. Ми з’ясували, що супутникові зустрічі проводилися перед Генеральною Асамблеєю, і одна з них насправді відбувалася в цьому конкретному парку, де ми з Тімом таборувались. У нас була ідея: "Ну, може, ми повинні скористатися цією можливістю і піти до професора Далгарно вже!"
Звичайно, у нас був увесь цей кемпінг та одяг, але в мене була одна чиста спідниця, яку я одягнув. Тім підвів мене до супутникової зустрічі, ми знайшли мого колегу з Амстердама, і він сказав: "О, добре, я познайомлю вас з професором Далгарно". Професор вивів мене на вулицю, ми розмовляли п’ять хвилин, він запитав мене, що я зробив, який мій набір навичок астрохімії, а потім сказав: "Звучить цікаво; чому ви не приїдете і не працюєте для мене?" Це, очевидно, був ключовим моментом.
Ось так все і почалося. З того часу я ніколи не пошкодував жодної миті.
TKF: Чи були інші ключові моменти, можливо, в ранньому дитинстві, які поставили вас на шлях до вченого?
EVD: Власне, так. Мені було близько 13 років, і мій батько щойно влаштував суботу в Сан-Дієго, Каліфорнія. Я взяв відпустку зі своєї середньої школи в Нідерландах, де ми здебільшого отримували уроки латинської та грецької мов і, звичайно, математику. Але у нас ще нічого не було з точки зору хімії чи фізики, і біологія почалася щонайменше через один-два роки.
У молодшій школі Сан-Дієго я вирішив вивчити теми, які були дуже різними. Я взяв, наприклад, іспанську. Була також можливість займатися наукою. У мене був дуже хороший вчитель, який був афро-американською жінкою, що в той час, в 1968 році, було досить незвично. Вона була просто дуже натхненною. У неї були експерименти, у неї були запитання, і вона насправді встигла залучити мене до науки.
TKF: Зараз сподіваємось на обіцянку великого міліметрового / субміліметрового масиву Atacama (ALMA), який відкрився кілька років тому і є одним з найбільш амбітних та дорогих наземних астрономічних проектів, що коли-небудь реалізовувалися. Астрофізик Райнхард Гензель приписує вам допомогу у формуванні міжнародного консенсусу за цією обсерваторією. Як ви зробили справу щодо ALMA?
EVD: ALMA досягла дивовижного успіху як прем'єрної обсерваторії в цьому спеціальному діапазоні міліметрового та субміліметрового світла, що є важливим вікном для спостереження за молекулами в космосі. Сьогодні ALMA складається з 66 радіотелескопів із 7- і 12-метровою конфігурацією, які тягнуться на висотній рівнині в Чилі. Це була дуже довга дорога дістатися до того, де ми зараз!
АЛМА - результат мрій багатьох тисяч людей. Я був одним із двох членів з європейської сторони в США Консультативно-науковому комітеті з питань науки та науки з питань науки та науки. Я добре знав північноамериканське наукове співтовариство з моїх шести років роботи в США. Сторони, як і Японія, мали дуже різні концепції для ALMA. Європейці замислювались про телескоп, який можна було б використовувати для глибокої хімії дуже раннього Всесвіту, тоді як північноамериканці набагато більше думали про масштабні зображення з високою роздільною здатністю; одна група говорила про будівництво восьмиметрових телескопів, інша про 15-метрові телескопи. [Знайомтесь з ALMA: Дивовижні фотографії з гігантського радіо телескопа]
Тож я був одним із людей, який допоміг зібрати ці два аргументи. Я сказав: "Якщо ви будуєте набагато більший масив, насправді всі ми виграємо". Планується об'єднати більшу кількість телескопів в один масив, а не окремі масиви, які не настільки потужні. І ось що сталося. Ми задаємо тон спільної роботи над цим фантастичним проектом, а не бути конкурентами.
TKF: Які нові кордони відкриває ALMA в астрохімії?
EVD: Великий стрибок, який ми робимо з ALMA, полягає в просторовому дозволі. Уявіть, що дивитесь на місто зверху. Перші зображення Google Планета Земля були дуже бідними - навряд чи можна було щось побачити; місто було великою краплиною. З того часу зображення стають все чіткішими і чіткішими, оскільки просторове дозвіл покращувалося за допомогою камер на борту супутників. Нині можна побачити канали [у голландських містах], вулиці, навіть окремі будинки. Ви дійсно можете побачити, як складається все місто.
Те саме відбувається зараз із місцями народження планет, якими є ці крихітні диски навколо молодих зірок. Ці диски в сто до тисячі разів менші, ніж хмари, які ми розглядали раніше, де народжуються зірки. За допомогою ALMA ми збільшуємо масштаби регіонів, де формуються нові зірки та планети. Це дійсно відповідні шкали, щоб зрозуміти, як працюють ці процеси. А ALMA, унікально, має спектроскопічні можливості виявлення та вивчення дуже широкого спектру молекул, що беруть участь у цих процесах. ALMA - це фантастичний крок вперед від усього, що ми мали раніше.
TKF: Нові телескопи, якими ви користувалися протягом своєї кар’єри, виявилися надзвичайними. У той же час ми все ще обмежені тим, що можемо побачити у космосі. Коли ви заздалегідь продумуєте майбутні покоління телескопів, що ви найбільше сподіваєтесь побачити?
EVD: Наступним кроком у нашому дослідженні є космічний телескоп Джеймса Вебба [JWST], який буде запущений у 2021 році. З JWST я дуже з нетерпінням чекаю побачити органічні молекули та воду на ще менших масштабах, а також в різних частинах планети - утворюючи зони, ніж це можливо для ALMA.
Але ALMA буде важливою для наших досліджень на довгий час - ще 30–50 років. Є ще стільки, що нам потрібно відкрити за допомогою ALMA. Однак ALMA не може допомогти нам вивчити саму внутрішню частину планетоутворюючого диска в масштабі, де утворилася наша Земля, лише на невеликій відстані від сонця. Газ у диску є набагато теплішим, і інфрачервоне світло, яке він випромінює, може бути захоплено інструментом, який ми з колегами допомагали впровадити в JWST.
JWST - це остання місія, над якою я працював. Знову випадково я взяв участь, але мені вдалося зі своїми американськими партнерами та колегами допомогти. Ряд з нас з європейської та американської сторін зібралися разом і сказали: "Ей, ми хочемо, щоб цей інструмент стався, і ми можемо це зробити у партнерстві 50/50".
TKF: З огляду на вашу роботу над будівельними блоками, що складають зірки та планети, чи видається космос придатним або навіть сприятливим для життя?
EVD: Я завжди кажу, що я надаю будівельні блоки, і тоді до кінця історії доводиться розповідати про біологію та хімію! [Сміх] Зрештою, важливо, про яке життя ми говоримо. Ми говоримо лише про найпримітивніше одноклітинне життя, про яке ми знаємо, що виникло швидко на Землі? Зважаючи на всі інгредієнти, які ми маємо в наявності, немає жодної причини, чому це не могло виникнути ні на одній з мільярдів екзопланет, про які ми зараз знаємо, орбітують мільярди інших зірок.
Переходячи до наступних кроків багатоклітинного і в кінцевому рахунку розумного життя, ми дуже мало розуміємо, як це випливає з простого життя. Але я думаю, що це безпечно сказати, враховуючи рівень складності, менше ймовірність, що це виникне так часто, як, скажімо, мікроби. [10 Екзопланет, які могли б приймати чуже життя]
TKF: Як поле астрохімії допоможе нам відповісти на питання, чи існує чужорідне життя у Всесвіті?
EVD: Вивчення хімії екзопланетних атмосфер - це те, що допоможе нам відповісти на це питання. Ми знайдемо багато потенційно схожих на Землю екзопланет. Наступним кроком буде пошук спектральних відбитків пальців, про які я згадував раніше, в атмосфері планети. У цих відбитках ми будемо спеціально шукати "біомолекули" або комбінації молекул, які могли б вказувати на наявність певної форми життя. Це означає не просто воду, а кисень, озон, метан тощо.
Наші нинішні телескопи ледве можуть виявити ці відбитки пальців в атмосфері екзопланет. Ось чому ми будуємо наступне покоління гігантських наземних телескопів, як Надзвичайно великий телескоп, який матиме дзеркало, яке приблизно втричі більше, ніж все навколо сьогодні. Я беру участь у розробці наукової справи для цього та інших нових інструментів, а біосигнатури - це справді одна з головних цілей. Це захоплюючий напрямок, куди піде астрохімія.
